Устройство и принцип работы системы запуска двигателя

Системные функции

Индикаторы

В качестве обратного сигнала в распоряжение водителя предоставляются различные уведомления по автоматическому запуску и выключению двигателя. Для системы автоматического запуска и остановки двигателя все сообщения выдаются в комбинации приборов (KOMBI).


Ниже описываются следующие уведомления:

Обозначение Пояснение Обозначение Пояснение
1 Система автоматического пуска и остановки двигателя активирована, двигатель отключен и готов к пуску (цвет может варьироваться в зависимости от модели) 2 Система автоматического запуска и выключения двигателя вышла из строя
3 Система автоматического запуска и выключения двигателя деактивизирована

Программа управления электропитанием

Управление электропитанием является подсистемой управления электроэнергией. Программа управления электропитанием реализуется ЭБУ двигателя (DME или DDE: цифровая электронная система управления двигателем или цифровая электронная система управления дизельным двигателем)

Система управления электропитанием регулирует потребление мощности самыми важными потребителями электроэнергии, а также мощность генератора и заряд аккумуляторной батареи во время движения. Задачей является обеспечить надежный пуск двигателя внутреннего сгорания после определенного времени простоя с точки зрения энергии в бортовой сети.

Результатом расчета может стать условие, препятствующее выключению или условие, требующее включения автоматической системы пуска и остановки двигателя.

При остановке двигателя нужно избегать чрезмерного потребления тока. Поэтому при включении контакта 15 и выключении двигателя программой управления электропитанием все крупные потребители деактивированы или их расход сокращен. Индикации остаются активными.

Это касается, например, следующих потребителей:

  • Обогрев заднего стекла
  • Обогрев зеркал
  • Система обогрева сидений
  • Вентилятор

Внимание! Возможен автоматический запуск! При снижении степени заряда аккумуляторной батареи после остановки двигателя посредством автоматического запуска и выключения двигателя ниже определенного значения, автоматическая система пуска и остановки двигателя запускает двигатель без явных действий со стороны водителя.

Остановка двигателя

Остановка двигателя на автомобилях с механической коробкой передач выполняется при одинаковых условиях, если неактивен предотвратитель отключения:

  • автомобиль стоит неподвижно
  • никакая передача не включена
  • Педаль сцепления не нажата

Остановка двигателя на автомобилях с автоматической коробкой передач выполняется при одинаковых условиях, если неактивен предотвратитель отключения:

  • автомобиль стоит неподвижно
  • Положение рычага селектора D
  • Педаль тормоза нажата

Указание!

См. руководство по эксплуатации!

Пуск двигателя

Пуск двигателя на автомобилях с механической коробкой передач выполняется без учета условия, требующего включения при следующих условиях:

Пуск двигателя у автомобилей с автоматической коробкой передач осуществляется при следующих условиях:

Указание!

См. руководство по эксплуатации!

Предохранительные функции

При следующих данных отключается автоматический пуск двигателя:

  • Ремонтные работы в моторном отсеке (капот открыт)
  • Выход из автомобиля (дверца водителя открыта, а ремень безопасности не надет)

Внимание! Постоянно препятствовать автоматическому пуску двигателя во время ремонтных работ путем деактивации системы автоматического запуска и остановки двигателя (кнопка Система автоматического запуска и остановки двигателя)!

Программа управления электропитанием и замена аккумулятора

Для автомобилей с автоматической системой пуска и остановки двигателя в любом случае следует установить аккумулятор AGM и для безупречной работы функции MSA после замены аккумулятора зарегистрировать с помощью сервисной функции .

В случае замены, отсоединения АКБ или после программирования системы управления двигателем данные о заряде и состоянии АКБ могут быть утеряны. Только после измерения напряжение покоя в течение прим. 6 часов (например, в период покоя ночью), когда автомобиль нельзя активировать, эти данные восстанавливаются. В течение этого времени программирования функция MSA не работает (предотвратитель отключения = степень заряда аккумулятора недостоверна). Об этом необходимо сообщить при передаче автомобиля клиенту. Функция MSA снова автоматически включается после успешного окончания необходимых программ.

Схема системы пуска двигателя:

1. Коллектор; 2 – задняя крышка; 3 – корпус статора; 4 – тяговое реле; 5 – якорь реле; 6 – крышка со стороны привода; 7 – рычаг; 8 – кронштейн рычага; 9 – уплотнительная прокладка; 10 – планетарная шестерня; 11 – шестерня привода; 12 – вкладыш крышки; 13 – ограничительное кольцо; 14 – вал привода; 15 – обгонная муфта; 16 – поводковое кольцо; 17 – опоры вала привода с вкладышем; 18 – шестерня с внутренним зацеплением; 19 — водило; 20 – центральная шестерня; 21 – опора вала якоря; 22 – постоянный магнит; 23 — якорь; 24 — щеткодержатель; 25 – щетка.

Этот механизм передает вращающий момент от электромотора к маховику. На валу якоря установлена шестерня привода. Действие электромагнитного включателя заставляет рычаг привода перевести шестерню привода в зацепление с зубчатым ободом маховика (в этом положение вращение передается на вал двигателя). Когда двигатель запущен, расцепляется оконная муфта, и теперь шестерня привода вертится в холостую. Позднее при включенном зажигании шестерня привода расцепляется с зубчатым ободом.

Теперь рассмотрим реальный механизмоконная муфта передает вращение только в одном направлении и связана с шестерней привода. На муфте стартерного электромотора имеются винтовые шлицы. Винтовые шлицы имеются также на валу якоря. Шестерня привода способна скользить вдоль них вращаясь при этом. Винтовые шлицы обеспечивают плавное сцепление шестерни привода с зубчатым ободом. После сцепления зубчатого обода с ведущей шестерней раскручивается двигатель. Шестерня привода вертит зубчатый обод (при этом работает оконная муфта). Когда двигатель запущен, то двигатель вертит шестерню привода, при этом оконная муфта отключена. Шестерня привода вертится в холостую, чтобы не повредить электромотор.

2. Электромагнитный включатель

Электромагнитный включатель – заставляет приводной рычаг передвинуть шестерню привода и направляет ток в электромотор.

Схема работы электромагнитного включателя


В центре включателя находится плунжер. Плунжер выполняет две функцииперемещает приводной рычаг, соединенный с одним концом плунжера, а также включает главные контакты через контактную пластину, соединенную с его другим концом. Плунжер окружает втягивающая обмотка, которая подтягивает плунжер к главным контактам. Поверх втягивающей обмотки расположена удерживающая обмотка, которая удерживает плунжер у контактов. При повороте ключа зажигания электрический ток проходит по втягивающей, и удерживающей обмоткам, создавая магнитное поле. Это поле перемещает плунжер вправо. В результате контактная пластина замыкает главные контакты. Теперь клемма 30 замыкается с клеммой С, соединенной с мотором. В стартовый электромотор подается мощный ток, одновременно с этим, приводной рычаг приводит шестерню привода в зацепление и она начинает раскручивать двигатель.

Как устроен электромагнитный включатель?

Втягивающие и удерживающие обмотки закреплены на корпусе включателя. Контактная пластина расположена на торце плунжера напротив главного контакта. Втягивающие и удерживающие обмотки размещены вокруг плунжера, который поджимается возвратной пружиной. После запуска двигателя возвратная пружина перемещает шестерню привода в исходное положение.

Схема системы пуска двигателя

  1. Электромотор;
  2. Система передачи;
  3. Электромагнитный включатель;

Электрическая схема системы пуска двигателя

Положительный полюс АКБ соединен с клеммой 30 и включателем зажигания. Клемма С соединена с обмотками возбуждения и обмоткой якоря, заземленными на корпус и далее соединенными с отрицательным полюсом АКБ. Все соединения выполнены мощным кабелем, который выдерживает большой ток. Клемма 50 соединена с положительным полюсом АКБ через включатель зажигания.

Схема запуска частотным преобразователем

Это самая современная технология. Она основана на сложных преобразованиях электрических сигналов, связанных с:

· выпрямлением;

· стабилизацией;

· инвертированием;

· управлением.

На выходе создаются практически идеальные синусоиды гармоник.

Однако этот вариант запуска предусматривает покупку заводского устройства. Сборка его своими руками вряд ли получится.

Андрей Кулагин делится своим видеороликом о впечатлениях, которые обеспечил преобразователь частоты для асинхронного двигателя.

Приглашаю посетить мой сайт для обмена опытом по эксплуатации асинхронных двигателей.

Конденсаторные схемы запуска

Сразу оговорюсь, что в электротехнике существует довольно большое количество их разработок. Рассматриваю только наиболее популярные. Для них необходимо подобрать конденсаторы по емкости и рабочему напряжению.

Поскольку амплитуда синусоиды постоянно изменяет свой знак, то безопасно эксплуатировать можно только конденсаторы, изоляция которых рассчитана на 500 вольт или больше.

Схема запуска для звезды

Потенциалы фазы и нуля прикладывают к началам двух обмоток, а третью подключают через конденсаторы. Разделяют их на две цепочки: рабочую, смонтированную постоянно и пусковую, задействуемую через выключатель.


Иногда цепь запуска используется для преодоления мощных нагрузок. Но длительно работать так нельзя: обмотка двигателя перегревается, изоляция может сгореть.

Схема запуска для треугольника

Принцип подачи напряжения через цепочки конденсаторов и выключатель остался прежним. Особенность только в том, что потенциалы подводятся на сборки начал и концов обмоток.

Схема запуска через самодельный преобразователь

Привожу вариант разработки подачи сдвинутых по фазе токов на обмотки треугольника.

Особенности схемы:

· активное сопротивление резистора на одной фазе создает ток, совпадающий с подводимым напряжением;

· конденсатор обеспечивает опережение тока на 90 градусов;

· дроссель сдвигает ток назад.

Комплексный подход обеспечивает довольно хорошую работу двигателя с высокой устойчивостью к нагрузкам.

Однако здесь в целом низкий КПД и большие потери электричества: сам преобразователь потребляет столько же энергии, как и трехфазный двигатель. Ее двойной расход вряд ли окупится. Анализ работы этой схемы изложен в статье, приведенной по первой ссылке.

Электростартер

Электрический автомобильный стартер.Реле стартера (вверху слева, чёрного цвета). Тяговое реле (соленоид, в центре вверху, малого диаметра, золотистого цвета). В серебристом корпусе — рычажная передача и обгонная муфта. Электродвигатель — большого диаметра, золотистого цвета.

Наиболее удобный способ. При запуске двигатель раскручивается коллекторным электродвигателем — машиной постоянного тока, питающейся от аккумуляторной батареи (после запуска аккумулятор подзаряжается от генератора, приводимого в движение основным двигателем). При низких температурах обычно применяемые кислотные аккумуляторы теряют ёмкость (главным образом — из-за роста вязкости электролита; также происходит снижение электродвижущей силы батареи), а вязкость масла в системе смазки увеличивается. Поэтому запуск двигателя зимой затруднён, а иногда и невозможен. При наличии электрической сети в этом случае возможен запуск от сетевого пускового устройства (практически неограниченной мощности).

Электродвигатели автомобильных стартёров имеют особую конструкцию с четырьмя щётками, которая позволяет увеличить ток ротора и мощность электродвигателя.

На тепловозах с электрической передачей постоянного тока стартером является тяговый генератор. Эта же схема применялась на некоторых мотороллерах («Тула», «Турист», «Тулица», «Муравей»), где функцию стартера выполняет генератор постоянного тока, насаженный непосредственно на коленвал (в СССР такая система называлась «динамо-стартер», а позже — «династартер»)

Принцип работы электростартера

При включении стартера электрический ток (через реле включения, иначе сгорят контакты в замке зажигания) поступает на тяговое реле (соленоид). Сердечник соленоида втягивается и через рычажную передачу вводит в зацепление шестерню электродвигателя стартера с зубчатым венцом (большая шестерня) маховика. После этого замыкаются контакты реле стартера. Через это реле проходит очень большой ток (десятки и даже сотни ампер) на электродвигатель. После запуска муфта свободного хода (бендикс) позволяет вращаться независимо друг от друга маховику двигателя и электродвигателю стартера. После выключения стартера детали стартера возвращаются в исходное состояние. На старых автомобилях (например, ГАЗ-69, ГАЗ-63) тяговое реле (соленоид) отсутствовало, водитель включал стартер педалью на полу кабины.

На автомобилях с автоматическими трансмиссиями имеется удерживающая обмотка, не позволяющая сердечнику соленоида перемещаться, если селектор АКПП установлен на ходовых позициях «D», «R», «L» или «2», в автоматической коробке передач установлен выключатель, подающий ток в удерживающую обмотку. Запуск двигателя возможен только на позициях «P» (парковка) и «N» (нейтраль).

Величина электрического напряжения на стартере

На автомобилях с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания напряжение бортовой сети составляет 12 вольт, применяется такое же электрическое напряжение на стартере. На ряде автомобилей, выпускавшихся в первой половине XX века, использовалось напряжение 6 вольт.

На автомобилях с мощными дизельными двигателями напряжение бортовой сети составляет 24 вольта. Это обусловлено тем, что дизелю с большим рабочим объёмом и с большой степенью сжатия требуется мощный электрический стартер. Устанавливаются по два 12-вольтовых автомобильных аккумулятора, соединённые последовательно.

При равной электрической мощности при повышении электрического напряжения в два раза сила тока соответственно снижается в два раза: P=I⋅U{\displaystyle P=I\cdot U}, где I{\displaystyle I} — сила тока, а U{\displaystyle U} — напряжение.

Повышение напряжения позволяет уменьшить разрядный ток аккумуляторной батареи, а также снизить бесполезный нагрев проводов.

На легковых автомобилях, микроавтобусах и малотоннажных грузовиках с дизельными двигателями применяются 12-вольтовые стартеры (этого вполне достаточно).

На старых грузовиках с дизелями (ЯАЗ-200, ЯАЗ-210) напряжение бортовой сети составляло 12 вольт, а стартеры были рассчитаны на 24 вольта. Стояло два 12-вольтовых автомобильных аккумулятора, соединённые параллельно, при запуске они переключались на последовательное соединение. Все 12-вольтовые потребители электроэнергии при запуске работали от одной аккумуляторной батареи.

Пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений

Рисунок 1. Схема пуска двигателя параллельного возбуждения с помощью пускового реостата (а) и пусковых сопротивлений (б)

(2)

а в начальный момент пуска, при n = 0,

(3)

где Rп – сопротивление пускового реостата, или пусковое сопротивление. Значение Rп подбирается так, чтобы в начальный момент пуска было Iа = (1,4 – 1,7) Iн [в малых машинах до (2,0 – 2,5) Iн].

Рассмотрим подробнее пуск двигателя параллельного возбуждения с помощью реостата (рисунок 1, а).

Рисунок 2. Зависимость Iа, M и n от времени при пуске двигателя

При пуске на холостом ходу Mст = M. Ток Iа = Iа0 в этом случае мал и составляет обычно 3 – 8 % от Iн.

Mдин = M – Mст ,

под воздействием которого происходит увеличение n.


Число ступеней пускового реостата и значения их сопротивлений рассчитываются таким образом, чтобы при надлежащих интервалах времени переключение ступеней максимальные и минимальные значения Iа на всех ступенях получилось одинаковыми.

По условиям нагрева ступени реостата рассчитываются на кратковременную работу под током.

Остановка двигателя производится путем его отключения от сети с помощью рубильника или другого выключателя. Схема рисунка 1 составлена так, чтобы при отключении двигателя цепь обмотки возбуждения не размыкалась, а оставалась замкнутой через якорь. При этом ток в обмотке возбуждения после отключения двигателя уменьшается до нуля не мгновенно, а с достаточно большой постоянной времени. Благодаря этому предотвращается индуктирование в обмотке возбуждения большой э. д. с. самоиндукции, которая может повредить изоляцию этой обмотки.

Применяются также несколько видоизмененные по сравнению с рисунком 1, а схемы пусковых реостатов, без контактной дуги д. Конец цепи возбуждения при этом можно присоединить, например, к контакту 2, и при работе двигателя последовательно с обмоткой возбуждения будут включены последние ступени реостата. Поскольку их сопротивление по сравнению с Rв = rв + Rр.в мало, то это не оказывает большого влияния на работу двигателя.

Автоматизировать переключение пускового реостата неудобно. Поэтому в автоматизированных установках вместо пускового реостата используют пусковые сопротивления (рисунок 1, б), которые поочередно шунтируются контактами К1, К2, К3 автоматически работающих контакторов. Для упрощения схемы и уменьшения количества аппаратов число ступеней принимается минимальным (у двигателей малой мощности обычно 1 – 2 ступени).

Ни в коем случае нельзя допускать разрыва цепи параллельного возбуждения.

Что собой представляет пуск двигателя?

Для любого типа двигателя, в целях его эффективного пуска, необходимо хорошее смесеобразование топлива и его воспламенение в камере сгорания.

Во время запуска двигателя происходит преодоление следующих моментов:

  • сопротивление на силу трения;
  • энергетические затраты на привод дополнительных составляющих;
  • потери на процесс газообмена;
  • противостояние инерционным силам, когда происходит процесс разгона двигателя до нужных частот.

Двигатель без проблем будет запускаться, если пусковые системы отвечают следующим требованиям: обеспечивают бесперебойную работу (вне зависимости от климатических условий эксплуатации), малозатратные по времени и энергии на осуществление пуска, имеют малогабаритные размеры.

Принцип работы

Рассмотрим асинхронный двигатель принцип работы и устройство. Для корректного подключения агрегата к сети, обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Действие механизма основано на использовании вращающегося магнитного поля статора. Частота вращения многофазной обмотки переменного поля (n1) определяется по формуле:

Здесь:

  • f – частота сети в Герцах;
  • p – Количество пар полюсов (как правило, 1-4 пары, поскольку чем их больше, тем ниже мощность и КПД, использование полюсов даёт возможность не применять редуктор, при низкой частоте вращения).

Магнитное поле, пронизывающее статор с обмоткой пронизывает и обмотку ротора. За счёт этого индуцируется электродвижущая сила. Электродвижущая сила самоиндукции в обмотке статора (Е1) направлена навстречу приложенному напряжению сети, ограничивая величину тока в статоре. Поскольку обмотка ротора замкнута, или идёт через сопротивление (короткозамкнутый ротор в первом случае, фазный ротор во втором случае), то под действием электродвижущей силы ротора (Е2) в ней образуется ток. Взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора и магнитного поля статора создаёт электромагнитную силу (Fэл). Направление силы определяется по правилу левой руки.

Согласно правилу: левая рука устанавливается таким образом, что бы магнитно силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца направлялись вдоль движения тока в обмотке. Тогда отведённый большой палец покажет направление действия электромагнитной силы для конкретного проводника с током.

Совокупность электромагнитных сил двигателя будет равна общему электромагнитному моменту (М), который приводит в действие вал электродвигателя с частотой (n2). Скорость ротора не равна скорости вращения поля, поэтому эта скорость называется асинхронной скоростью. Вращающий момент в асинхронном двигателе развивается только при асинхронной скорости, когда скорость вращения ротора не равна скорости вращения магнитного поля

Важно, что бы при работе двигателя скорость ротора была меньше скорости поля (n2

Таким образом, частота вращения ротора (обороты) будет равна:

Принцип работы асинхронного электрического двигателя легко объясняется с помощью устройства, называющегося диск Арго – Ленца.

Постоянный магнит закрепляют на оси, которая устанавливается в устройстве, способном обеспечить её вращение. Перед полюсами магнита (N-S) помещают диск, выполненный из меди. Диск так же крепится на оси и свободно вращается вокруг неё.

Если вращать магнит за рукоятку, диск тоже будет вращаться в том же направлении. Эффект объясняется тем, что магнитные линии поля, создаваемые магнитом, замыкаются от северного полюса к южному полюсу, пронизывая диск. Эти линии образуют в диске вихревые токи, которые взаимодействуя с полем, приводят к возникновению силы, вращающей диск. Закон Ленца гласит, что направление всякого индукционного тока противодействует величине, вызвавшей его. Вихревые токи пытаются остановить магнит, но поскольку это не возможно, диск следует за магнитом.

Примечательно, что скорость вращения диска всегда меньше скорости вращения магнита. В асинхронных электродвигателях магнит заменяет вращающееся магнитное поле, созданное токами трёхфазной обмотки статора.

Вспомогательный двигатель внутреннего сгорания (пусковой двигатель, «пускач»)

Пусковой двигатель ПД-10 на тракторе ДТ-541 — картер «пускача»2 — цилиндр и рубашка водяного охлаждения3 — маховик и ручей, на который наматывается верёвка, за которую дёргают при запуске.

Главный двигатель запускается другим двигателем внутреннего сгорания, меньшей мощности (так называемый «пускач»); такой способ используется на многих тракторах. Пусковой двигатель обычно карбюраторный двухтактный, его мощность составляет примерно 10 % от мощности основного двигателя. Несмотря на «архаичность» и некоторые неудобства, это обеспечивает надёжный запуск в любых условиях. Трактор или агрегат может эксплуатироваться вдали от населённых пунктов, где нет возможности контролировать состояние аккумулятора. Пусковой двигатель включён в систему жидкостного охлаждения, в холодную погоду можно произвести подогрев главного двигателя. Сам же вспомогательный двигатель запускается вручную (дёрганием тросика) или от электростартёра малой мощности. Если пусковой двигатель запускается вручную, наличие аккумуляторной батареи становится и вовсе необязательно (система зажигания «пускача» получает электроэнергию от магнето). После запуска «пускача» и прогрева системы охлаждения тракторист соединяет фрикционной муфтой пусковой и главный двигатели. При этом пусковой двигатель рассчитан на достаточно продолжительную работу под нагрузкой. Например, советский ПД-10 может прокручивать коленчатый вал дизельного двигателя непрерывно в течение 10 минут. Недостатки такой системы запуска: необходимость выхода тракториста из кабины для запуска двигателя, опасность наезда трактора на тракториста в момент пуска двигателя если в трансмиссии не выключена передача, необходимость иметь на тракторе отдельный запас смеси бензина с маслом для пускача. Наибольшее применение пусковые двигатели получили в СССР, так как значительное количество тракторной техники эксплуатировалась в сложных климатических условиях зимой.

По мере совершенствования тракторных двигателей, электрических стартеров и аккумуляторов применение пусковых двигателей стало сокращаться, а с начала 2000-х годов и вовсе сошло на нет.

Разновидностью пускового двигателя является турбостартер, который нашел применение на газотурбинных двигателях, но применяется и на некоторых поршневых, например звездообразных судовых дизелях завода «Звезда». Представляет собой небольшой газотурбинный двигатель со свободной турбиной, соединенной через понижающей редуктор и разобщительную муфту с коленчатым валом запускаемого двигателя. Достоинства турбостартеров — компактность, небольшой вес, большая мощность, отсутствие необходимости в аккумуляторных батареях или пусковых баллонах большой емкости. Например, турбостартер ТС-21, имеющий массу с редуктором всего 70 кг способен запускать дизель мощностью до 5000 л. с. Масса электрической или пневматической пусковой системы такого двигателя будет составлять несколько тонн. Недостатки — невысокая надежность, по сравнению с системами электрического и воздушного пуска и необходимость наличия отдельного бака с легким топливом (керосин или бензин) для турбостартера.


С этим читают